超材料: 在我們有生之年引領哈利波特的隱形斗篷或隱形軍用坦克

By Fouad Sabry

什麼是超材料

超材料是任何經過工程設計的具有天然材料所不具備的特性的材料。它們由複合材料（如金屬和塑料）製成的多個元件組合而成。這些材料通常以小於它們影響的現象的波長的比例排列成重複的圖案。超材料的特性不是來自基礎材料的特性，而是來自它們新設計的結構。它們精確的形狀、幾何形狀、尺寸、方向和排列賦予它們操縱電磁波的智能特性：通過阻擋、吸收、增強或彎曲波，實現傳統材料無法實現的優勢。

您將如何受益

(I) 關於以下主題的見解和驗證：

第 1 章：超材料

第 2 章：超材料的歷史

第 3 章：負指數超材料

第 4 章：負折射

第五章：光子晶體

第 6 章：電子能帶結構

第 7 章：振盪

（二）回答公眾關於超材料的熱門問題。

(III) 超材料在多個領域的應用實例。

(IV) 17個附錄，簡述各行業266項新興技術，360度全方位了解超材料技術。

本書的讀者對象

專業人士、本科生和研究生、愛好者、業餘愛好者以及想要超越任何超材料的基本知識或信息的人。

• Language: 中文
• Publisher: 十億個知識淵博 [Chinese (Traditional)]
• Release date: Jan 27, 2022

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24 - 富勒烯

25 - 石墨烯

26 - 晶元實驗室

27 - 高溫超導

28 - 磁性納米顆粒

29 - 磁流變液

30 - 微流體

31 - 超流動性

32 - 超材料

33 - 金屬泡沫

34 - 多功能結構

35 - 納米材料

36 - 可程式設計物質

37 - 量子點

38 - 矽烯

39 - 高溫合金

40 - 合成鑽石

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3 - 養殖肉

4 - 垂直農業

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1 - 自動駕駛車輛

2 - 自主無人機

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8 - 石墨烯

9 - 晶元實驗室

10 - 高溫超導

11 - 磁性納米顆粒

12 - 磁流變液

13 - 微流體

14 - 超流動性

15 - 超材料

16 - 金屬泡沫

17 - 多功能結構

18 - 納米材料

19 - 可程式設計物質

20 - 量子點

21 - 矽烯

22 - 高溫合金

23 - 人造金剛石

24 - 時間晶體

25 - 半透明混凝土

神經科學中的新興技術

1 - 腦機介面

機器人技術的新興技術

1 - 群體智慧

10億知識淵博

超材料

在我們的有生之年，引領哈利·波特的隱形鬥篷或隱形軍用坦克的道路

福阿德·薩布里

版權

超材料版權所有 © 2021 由 Fouad Sabry 提供。保留所有權利。

保留所有權利。未經作者書面許可，不得以任何形式或任何電子或機械手段（包括資訊存儲和檢索系統）複製本書的任何部分。唯一的例外是審稿人，他們可能會在評論中引用簡短的摘錄。

封面由Fouad Sabry設計。

這本書是一部虛構的作品。名稱、人物、地點和事件要麼是作者想像的產物，要麼是虛構使用的。任何與真實人物的相似之處，無論是活著的還是死去的，事件或地點都是完全巧合。

獎金

你可以給 [e-mail] 發一封電子郵件，主題是超材料：在我們的有生之年引領哈利·波特的隱形鬥篷或隱形軍用坦克的道路，你會收到一封電子郵件，其中包含本書的前幾章。

福阿德·薩布里

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www.1BKOfficial.org

前言

我為什麼要寫這本書？

寫這本書的故事始於1989年，當時我是高級中學的學生。

它非常類似於STEM（科學，技術，工程和數學）學校，現在在許多發達國家都可以使用。

STEM是一門課程，其基礎是以跨學科和應用的方法教育四個特定學科（科學，技術，工程和數學）的學生。該術語通常用於解決學校的教育政策或課程選擇。它對勞動力發展、國家安全關切和移民政策都有影響。

圖書館每周都有一堂課，每個學生都可以自由選擇任何書籍並閱讀1小時。該課程的目的是鼓勵學生閱讀教育課程以外的科目。

在圖書館里，當我看著書架上的書時，我注意到了巨大的書，總共5000頁，分為5個部分。書名是《技術百科全書》，它描述了我們周圍的一切，從絕對零到半導體，幾乎每一種技術，在那個時候，都是用彩色插圖和簡單的文字來解釋的。我開始閱讀百科全書，當然，我無法在每周1小時的課程中完成它。

所以，我說服父親買了這本百科全書。我父親在我生命之初為我購買了所有的技術工具，第一台計算機和第一本技術百科全書，兩者都對我自己和我的事業產生了很大的影響。

我在今年的同一個暑假里完成了整本百科全書，然後我開始看到宇宙是如何運作的，以及如何將這些知識應用於日常問題。

我對這項技術的熱情始於30年前，現在的旅程仍在繼續。

這本書是新興技術百科全書的一部分，我試圖給讀者帶來我在高中時的驚人體驗，但我對21世紀的新興技術，應用和行業解決方案更感興趣，而不是 20世紀的技術。

《新興技術百科全書》將由365本書組成，每本書將專注於一項新興技術。您可以在本書末尾的即將推出部分閱讀新興技術及其按行業分類的清單。

365本書，讓讀者有機會在一年內每天增加對一項新興技術的知識。

介紹

我是怎麼寫這本書的？

在每本《新興技術百科全書》中，我都試圖直接從人們的腦海中獲得即時的原始搜索見解，試圖回答他們關於新興技術的問題。

每天有30億次谷歌搜索，其中20%以前從未見過。它們就像是人們思想的直接線。

有時是「如何清除卡紙」。其他時候，這是他們唯一敢與谷歌分享的痛苦恐懼和秘密渴望。

在我追求發現關於超材料的內容創意的未開發金礦的過程中，我使用許多工具來收聽來自Google等搜尋引擎的自動完成數據，然後快速製作出每個有用的短語和問題，人們正在詢問關鍵字超材料。

它是人們洞察的金礦，我可以用它來創造新鮮、超有用的內容、產品和服務。善良的人，像你一樣，真的想要。

人搜索是有史以來收集到的關於人類心理的最重要的數據集。因此，這本書是一個活生生的產品，並且不斷更新越來越多的關於超材料的新問題的答案，人們，就像你我一樣，想知道這個新興技術，並希望瞭解更多有關它的資訊。

寫這本書的方法是更深入地了解人們如何搜索「超材料」，揭示我不一定會想到的問題和疑問，並用超級簡單易懂的單詞回答這些問題，並以直接的方式流覽這本書。

因此，在寫這本書時，我確保它盡可能地優化和有針對性。本書的目的是幫助人們進一步理解和增長他們對「超材料」的瞭解。我試圖盡可能密切地回答人們的問題，並展示更多。

這是一種奇妙的，美麗的方式，可以探索人們提出的問題和問題並直接回答它們，併為本書的內容添加洞察力，驗證和創造力 - 甚至是推銷和建議。這本書揭示了豐富的，不那麼擁擠的，有時令人驚訝的研究需求領域，否則我將無法觸及。毫無疑問，在使用這種方法閱讀本書后，有望增加潛在讀者的思想知識。

我採用了一種獨特的方法，使本書的內容始終保持新鮮。這種方法取決於通過使用搜索傾聽工具來傾聽人們的思想。這種方法説明我：

準確地與讀者見面，這樣我就可以創建相關的內容，引起共鳴，並推動對主題的更多理解。

保持我的手指緊緊抓住脈搏，這樣當人們以新的方式談論這項新興技術時，我就可以獲得更新，並監控隨時間的變化趨勢。

發現隱藏的問題寶藏需要有關新興技術的答案，以發現意想不到的見解和隱藏的利基，從而提高內容的相關性並賦予其勝利優勢。

不要再把時間浪費在直覺上，不要猜測讀者想要的內容，用人們需要的東西填滿書的內容，告別基於猜測的無窮無盡的內容創意。

做出可靠的決策，減少風險，讓前排座位即時瞭解人們想要閱讀和想知道的內容，並使用搜索數據做出大膽的決定，包括哪些主題和要排除哪些主題。

簡化我的內容製作以識別內容創意，而無需手動篩選個人意見，從而節省數天甚至數周的時間。

通過回答他們的問題，幫助人們以直接的方式增加他們的知識，這真是太好了。

我認為這本書的寫作方法是獨一無二的，因為它整理並跟蹤讀者在搜尋引擎上提出的重要問題。

確認

寫一本書比我想像的更難，比我想像的更有收穫。如果沒有著名研究人員完成的工作，這一切都是不可能的，我要感謝他們為增加公眾對這項新興技術的瞭解所做的努力。

奉獻

對於開悟者，那些看待事物不同，並希望世界變得更好的人 - 他們不喜歡現狀或現有狀態。你可以過多地不同意他們，你可以與他們爭論得更多，但你不能忽視他們，你不能低估他們，因為他們總是會改變事情......他們推動人類前進，雖然有些人可能認為他們是瘋狂的人或業餘愛好者，但其他人認為天才和創新者，因為那些足夠開明的人認為他們可以改變世界，是那些這樣做的人，並帶領人們走向啟蒙。

碑文

超材料是任何被設計成具有天然材料中不存在的特性的材料。它們由多種元素組成的元件製成，這些元素由金屬和塑膠等複合材料製成。這些材料通常以重複的模式排列，其尺度小於它們所影響的現象的波長。超材料不是從基材的特性中獲得它們的特性，而是從它們新設計的結構中獲得的特性。它們精確的形狀、幾何形狀、大小、方向和排列使它們具有能夠操縱電磁波的智慧特性：通過阻擋、吸收、增強或彎曲波，實現超越傳統材料所能實現的益處。

目錄

超材料

作者的其他書籍

作者系列

超材料

版權

獎金

前言

介紹

確認

奉獻

碑文

目錄

第1章 超材料

第2章 超材料的歷史

第3章 負折射率超材料

第4章 負折射

第5章 光子晶體

第6章 電子頻帶結構

第7章 振蕩

結語

關於作者

即將推出

附錄：各行業的新興技術

第1章 超材料

負折射率超材料陣列配置，由銅分環諧振器和安裝在玻璃纖維電路板聯鎖片上的電線構成。總陣列由3×20×20個單元單元組成，總尺寸為10毫米×100毫米×100毫米（0.39英寸×3.94英寸×3.94英寸）。

超材料（來自希臘語μετά meta，意思是超越，拉丁語material，意思是物質或材料）是任何被設計成具有天然材料中不存在的特性的材料。它們由多種元素組成的元件製成，這些元素由金屬和塑膠等複合材料製成。這些材料通常以重複的模式排列，其尺度小於它們所影響的現象的波長。超材料不是從基材的特性中獲得它們的特性，而是從它們新設計的結構中獲得的特性。它們精確的形狀、幾何形狀、大小、方向和排列使它們具有能夠操縱電磁波的智慧特性：通過阻擋、吸收、增強或彎曲波，實現超越傳統材料所能實現的益處。

適當構建的超材料可以以塊狀材料無法影響的方式影響電磁輻射或聲波。負折射率超材料是這些材料的名稱。

超材料具有廣泛的潛在應用，包括光學濾光片、醫療設備、遠端航空航太應用、感測器檢測和基礎設施監測、智慧太陽能管理、人群控制、 天線罩、高頻戰場通信、高增益天線透鏡，以及遮罩結構免受地震影響。

電氣工程，電磁學，經典光學，固體物理學，微波和天線工程，光電子學，材料科學，納米科學和半導體工程都涉及超材料研究。

內容

1 歷史

2 電磁超材料

2.1 負折射率

2.2 單負片

2.3 雙曲

2.4 帶隙

2.5 雙正極介質

2.6 雙各向同性和雙各向異性

2.7 手性

2.8 基於前端安全軟體

3 其他類型

3.1 彈性

3.2 聲學

3.3 結構

3.4 非線性

3.5 霍爾超材料

4 頻段

4.1 太赫茲

4.2 光子學

4.3 可調諧

4.4 等離子體

5 套用

5.1 天線

5.2 吸收劑

5.3 超級透鏡

5.4 隱身裝置

5.5 RCS（雷達橫截面）減少超材料

5.6 抗震保護

5.7 聲音過濾

6 理論模型

7 機構網路

7.1 穆裡

7.2 變形

8 參見

9 參考資料

10 外部連結

歷史

在十九世紀末，開始用人造材料操縱電磁波的實驗。Jagadish Chandra Bose於1898年發現了具有手性特徵的化合物，他研究了一些最早的結構，這些結構可能被稱為超材料。在二十世紀初，卡爾·費迪南德·林德曼（Karl Ferdinand Lindman）研究了作為人造手性介質的金屬螺旋的波相互作用。

AT&T貝爾實驗室的溫斯頓·E·科克（Winston E. Kock）在1940年代後期創造了具有與超材料相當特性的材料。在20世紀50年代和60年代，人們研究了輕型微波天線的人造電介質。微波雷達吸收器在20世紀80年代和90年代被研究為人造手性介質的應用。

負折射率材料由Victor Veselago於1967年首次在理論上描述。

2000年，約翰·彭德里（John Pendry）是第一個確定製造左手超材料的實用方法的人，這種材料不遵循右手規則。這種材料允許電磁波相對於其相位速度傳輸能量（具有群速度）。Pendry的想法是，沿波方向排列的金屬線可以提供負介電常數（介電函數ε <0）。天然材料（如鐵電體）顯示負介電常數;挑戰在於實現負滲透率（μ <0）。1999年，Pendry證明瞭一個分裂環（C形），其軸沿波傳播方向放置可以做到這一點。在同一篇論文中，他表明，一系列週期性的導線和環可以產生負折射率。Pendry還提出了一種相關的負滲透率設計，即瑞士卷。

David R. Smith等人在2000年通過定期水準堆疊分環諧振器和細線結構報告了功能電磁超材料的實驗演示。2002年，提出了一種採用微帶技術中人工集總元素負載傳輸線的負折射率超材料製備方法。2003年，引入了複合物（包括實數和虛部成分）負折射率。

電磁超材料

電磁超材料影響的電磁波小於影響其結構特性或與其結構特性相互作用的波長。均質材料的特徵必須明顯小於波長 ，才能 表現為由有效折射率準確表示的均質材料。

微波輻射特性以毫米為單位進行測量。微波頻率超材料通常構建為具有適當電感和電容特性的導電元件陣列（如導線環路）。分環諧振器用於許多微波超材料。

光子超材料是納米級結構，以光學頻率改變光。亞波長結構超材料類似於光子晶體和頻率選擇表面，如衍射光柵、介電鏡和光學鍍膜。然而，由於它們的功能來自衍射或干涉，因此它們不能近似為均質材料，因此被認為與超材料分開。然而，材料結構，如光子晶體，在可見光光譜中是有效的。可見光譜中心的波長約為560nm（用於陽光）。光子晶體形成通常為這個尺寸的一半或更小，或280nm。

等離子體超材料利用表面等離子體，表面等離子體是電荷包，在金屬表面以光學頻率共同振蕩。

頻率選擇表面（FSS）可以具有亞波長特性，也稱為人造磁導體（AMC）或高阻抗表面（HIS）。FSS的電感性和容性與其亞波長結構密切相關。

電磁超材料可分為不同的類別，如下：

負折射率

左旋超材料與普通材料折射的比較

負折射率可區分負折射率超材料 （NIM）。NIM也被稱為左撇子介質，具有負折射率的介質和反波介質。

假設材料由實際介電常數和磁導率很好地近似，則介電常數、磁導率和折射率 {\displaystyle \epsilon _{r}} {\displaystyle \mu _{r}} n之間的關係由下式給出。所有已知的非超材料透明材料（玻璃，水等）都具有正和。按照慣例，正平方根用於 \scriptstyle n =\pm\sqrt{\epsilon_\mathrm{r}\mu_\mathrm{r}} {\displaystyle \epsilon _{r}} {\displaystyle \mu _{r}} n。然而，一些工程超材料具有和。因為乘積是正的， {\displaystyle \epsilon _{r}} {\displaystyle \mu _{r}<0} {\displaystyle \epsilon _{r}\mu _{r}} 所以 n 是實數。在這種情況下，有必要取 n 的負平方根。當 和 均為正（負）時，波沿 {\displaystyle \epsilon _{r}} {\displaystyle \mu _{r}} 正（後）方向行進。電磁波不能在具有相反符號和具有相反符號的材料中傳播，因為折射率變為虛數。這種材料對於電磁輻射是不透明的，例如等離子體材料，如金屬（金，銀等）。 {\displaystyle \epsilon _{r}} {\displaystyle \mu _{r}}

表示光在均勻平面介面處負折射的視頻。

對於實際材料，上述考慮因素過於簡單，這些材料必須具有複值和。兩者的真實部分不必是負數，被動材料才能顯示負折射。 {\displaystyle \epsilon _{r}} {\displaystyle \mu _{r}} {\displaystyle \epsilon _{r}} {\displaystyle \mu _{r}}

斯內爾定律（n1sinθ1 = n2sinθ2）仍然描述了折射，但由於n2是負的，入射和折射射線位於正折射率材料介面處表面法線的同一側。

切倫科夫輻射指向另一個方向。

時間平均波因廷向量與相位速度反平行。但是，為了傳播波（能量），必須將a -μ與a -ε配對，以滿足對材料參數的波數依賴性。 {\displaystyle kc=\omega {\sqrt {\mu \epsilon }}}

負折射率在數學上從向量三元組E、H和k匯出來。

在電磁超材料中傳播的平面波的電場、磁場和波向量遵循左手法則，這與普通光學材料的行為相反。

迄今為止，只有超材料表現出負折射率。

單陰性

單負（SNG）超材料具有負相對介電常數（εr）或負相對磁導率（μr），但不能同時具有兩者。當它們與不同的互補SNG結合時，它們充當超材料，共同充當DNG。

Epsilon 負介質 （ENG） 顯示負 εr，而 μr 為正。許多等離子體表現出這種特徵。例如，貴金屬如金或銀在紅外和可見光譜中是ENG。

連接ENG材料板和MNG材料板，產生了共振，異常隧穿，透明度和零反射等特性。與負折射率材料一樣，SNG具有固有的色散性，因此它們的εr，μr和折射率n是頻率的函數。

雙曲

由於負介電常數張量分量和正介電常數張量分量，雙曲超材料（HMM）在一種偏振或光傳播方向上表現為金屬，在另一種偏振或方向上表現為電介質，從而導致高各向異性。由於材料在波向量空間中的色散關係形成雙曲面，因此它被稱為雙曲超材料。HMM的巨大各向異性導致定向光在表面和表面上傳播。

隙

光傳播使用電磁帶隙超材料（EBG或EBM）進行控制。這是使用光子晶體（PC）或左撇子材料（LHM）進行的。PC可以完全防止光傳播。這兩個類都可以在指定頻率下使用帶隙構建，並且可以允許光在某些預定方向上傳播。EBG的週期大小是波長的重要組成部分，導致建設性和破壞性干擾。

PC與可調諧超材料等亞波長結構的不同之處在於，PC的品質來自其帶隙特性。與其他暴露亞波長結構的超材料不同，PC的尺寸與光的波長相匹配。此外，PC通過衍射光來工作。另一方面，衍射不用於超材料。

PC中的週期性夾雜物可防止由於散射的破壞性干擾而導致的波傳播。PC由於其光子帶隙特性而成為電子半導體晶體的電磁等效物。

EBG的目的是創建高品質，低損耗，週期性介電結構。光子受EBG的影響與電子受半導體材料的影響相同。由於 PC 不允許透光，因此是理想的帶隙材料。

EBG旨在防止特定頻率頻寬在特定到達角度和極化下傳播。為了創造EBG的獨特功能，已經提出了各種幾何形狀和架構。在實踐中，不可能創建一個完美的EBG小工具。

EBG已經開發出的頻率範圍從幾千兆赫茲（GHz）到幾太赫茲（THz），以及無線電，微波和中紅外頻段。傳輸線、由方形電介質棒形成的木樁以及各種其他類型的低增益天線是EBG應用的進步之一。

雙正介質

雙正介質（DPS），如天然存在的電介質，確實存在於自然界中。介電常數和磁導率均為正，波的傳播是向前的。DPS，ENG和MNG特性已在人造材料中結合。

雙各向同性和雙各向異性

將超材料分為雙負極或單負極或雙正極，通常假設超材料具有由ε和μ描述的獨立電回應和磁回應。然而，在許多情況下，電場引起磁極化，而磁場誘導電極化，稱為磁電耦合。這種介質表示為雙各向同性。表現出磁電耦合和各向異性的介質（許多超材料結構就是這種情況）

四個材料參數是雙各向同性介質磁電耦合所固有的。它們是電（E）和磁（H）場強，以及電（D）和磁（B）磁通量密度。這些參數分別ε，μ，κ和χ或介電常數，滲透率，手性強度和Tellegen參數。在這種類型的介質中，材料參數不會隨旋轉測量座標系的變化而變化。從這個意義上說，它們是不變的或標量的。

固有磁電參數κ和χ影響波的相位。手性參數的作用是分割折射率。在各向同性介質中，只有當ε和μ具有相同的符號時，這才會導致波傳播。在 χ 假定為零且 κ為非零值的雙各向同性介質中，會出現不同的結果。可能發生後退波或正向波。或者，可以發生兩個正向波或兩個後退波，具體取決於手性參數的強度。

在一般情況下，雙各向異性材料的本構關係分別讀取介電常數和磁導率張量，而 和 是兩個磁電張量。如果介質是倒數的，則介電常數和磁導率是對稱張量，而描述手性電磁和倒易磁電回應的手性張量在哪裡。手性張量可以表示為，其中 是的跡線，I 是單位矩陣，N 是對稱無跡量張量，J 是反對稱張量。這種分解使我們能夠對倒數雙向異性響應進行分類，我們可以確定以下三個主要類別：（i）手性介質（），（ii）假手性介質（），（iii）歐米茄介質（）。 {\displaystyle \mathbf {D} =\epsilon \mathbf {E} +\xi \mathbf {H} ,} {\displaystyle \mathbf {B} =\zeta \mathbf {E} +\mu \mathbf {H} ,} \epsilon \mu \xi \zeta \xi=-\zeta^T=-i \kappa^T \kappa {\displaystyle \kappa ={\tfrac {1}{3}}\operatorname {tr} (\kappa )I+N+J} {\displaystyle \operatorname {tr} (\kappa )} \kappa {\displaystyle \operatorname {tr} (\kappa )\neq 0,N\neq 0,J=0} {\displaystyle \operatorname {tr} (\kappa )=0,N\neq 0,J=0} {\displaystyle \operatorname {tr} (\kappa )=0,N=0,J\neq 0}

手

超材料偏手性是混淆的潛在來源，因為超材料文獻包括術語左撇子和右撇子的兩個相互矛盾的應用。第一種是在手性介質中傳播的兩種圓極化波之一。第二種是關於電場、磁場和波因廷向量的三重態，它發生在並不總是手性的負折射率介質中。

手性和/或 雙向異性 電磁回應通常是3D幾何手性的結果：3D手性超材料是通過在主體介質中嵌入3D手性結構而製成的，並表現出與手性相關的偏振效應，如光學活性和圓二色性。還有2D手性的概念，它指出，如果平面專案不能疊加到其鏡像對應物上，除非它從平面升起，否則它是手性的。由於圓轉換 二色譜，各向異性和有損二維手性超材料已被證明可以顯示圓偏振波的方向不對稱透射（反射，吸收）。如果系統在幾何上是一維手性的，則有效的手性張量不會消失（整個結構的鏡像不能使用沒有旋轉的平移疊加到它上面）。

3D手性超材料由手性材料或諧振器構成，其中有效手性參數不為零。這種手性超材料中的波傳播特性表明，負折射可以在具有強手性且正和的超材料中實現。這是因為折射率對左右圓偏振波具有不同的值，由下式給出 \kappa \epsilon_r \mu _{r} n

{\displaystyle n=\pm {\sqrt {\epsilon _{r}\mu _{r}}}\pm \kappa }

可以看出，如果>，則一個極化將出現負指數。在這種情況下，不一個或兩者對於反向波傳播都是負數。2009年。 \kappa {\displaystyle {\sqrt {\epsilon _{r}\mu _{r}}}} \epsilon_r \mu _{r}

基於金融服務體系

頻率選擇性表面超材料在一個波段阻擋信號，同時在另一個波段傳遞信號。它們已成為固定頻率超材料的可行替代品。它們允許在單個介質中可變頻率變化，而不是恆定頻率回應的限制。

其他類型

彈性的

這些超材料採用多個參數來實現非電子材料中的負折射率。此外，「彈性超材料的新設計可以在有限的頻率範圍內充當液體或固體，可以實現基於聲學，彈性和地震波控制的新應用。機械超材料是它們的另一個名稱。

聲

聲學超材料以聲波、次聲波或超聲波的形式控制、引導和操縱氣體、液體和固體中的聲音。聲波，像電磁波一樣，可以經歷負折射。

聲波的控制主要通過體積模量 β、品質密度 ρ 和手性來完成。體積模量和密度是電磁超材料仲介電常數和磁導率的類似物。與此相關的是聲波在晶格結構中傳播的力學。此外，材料具有品質和固有的剛度。它們一起形成一個共振系統，機械（聲波）共振可能被適當的聲波頻率（例如可聽脈衝）激發。

結構的

可壓碎性和低重量是結構超材料的兩個特點。 微晶格 可以利用 類似於 桁架和大樑的形式使用投影微立體光刻技術來構建。已經開發出比普通氣凝膠剛度高四個數量級，同時保持相同密度的材料。通過過度約束材料，這些材料可以承受至少160，000倍於自身重量的負載。

陶瓷納米曲超材料可以被壓平並恢復到其原始狀態。

非線性

可以創建包括某種非線性介質在內的超材料，其性質隨入射波的功率而變化。非線性光學器件需要非線性介質。大多數光學材料具有相對較弱的回應，這意味著電磁場強度的顯著變化導致其性質的變化非常小。非線性超材料夾雜物的局部電磁場可以明顯大於場的平均值。此外，如果超材料的有效介電常數非常低，則已經預測並觀察到令人驚訝的非線性效應（epsilon-near-zero介質）。奇異的特徵，如負折射率，為定製任何非線性光學系統中必須滿足的相位匹配約束開闢了可能性。

霍爾超材料

2009年，Marc Briane和Graeme Milton

Christian Kern等人在2015年證明，單個材料的各向異性穿孔可能會導致更顯著的效果，即平行霍爾效應。這表明導電介質內的感應電場不再與電流和磁場正交，而是與後者平行。

頻帶

太 赫茲

太赫茲超材料在0.1至10 THz的太赫茲頻率下相互作用，太赫茲輻射位於紅外光譜的遠端，緊隨微波波段之後。這相當於毫米和亞毫米波長，範圍從3毫米（EHF波段）到0.03毫米（遠紅外光的長波長邊緣）。

光子

光學頻率與光子超材料（中紅外）相互作用。它們通過其亞波長週期與光子帶隙結構區分開來。

可 調諧

可調諧超材料允許任意折射率變化，以響應頻率變化。通過構建多種形式的超材料，可調諧超材料的增長超出了左撇子材料的頻寬限制。

等離子體

表面等離子體是由光與金屬電介質相互作用形成的，用於 鐳射 超材料。在某些條件下，入射光與表面等離子體耦合，導致自我維持，傳播電磁波或表面波。

應用

超材料的許多應用正在考慮中。超材料天線現在可以購買。

根據一位研究人員的說法，為了實現超材料應用，必須減少能量損失，必須將材料拉伸成三維各向同性材料，並且必須將製造過程工業化。

天線

超材料天線是一種通過利用超材料來提高性能的天線。

吸收

為了吸收大量的電磁輻射，超材料吸收器操縱超材料介電常數和磁導率的損耗分量。這是光檢測的有利特徵。損耗分量在負折射率（光子超材料，天線系統）或變換光學（超材料隱身，天體力學）的應用中也很重要，但它們很少使用。

超級連桿

超透鏡是一種二維或三維器件，它採用具有負折射特性的超材料來獲得超出衍射極限的解析度（理想情況下，無限解析度）。雙負極材料產生負相速度的能力使這種行為成為可能。衍射極限內置於標準光學儀器或透鏡中。

隱身裝置

超材料 能夠 作為功能性隱身裝置的基礎。2006年10月19日，原理證明得到驗證。沒有已知的實用斗篷存在。

RCS（雷達橫截面）減少超材料

傳統上，通過使用雷達吸收材料（RAM）或故意構建目標來減少RCS，以便分散的能量可以遠離源頭。雖然RAM具有窄頻帶能力，但目標的空氣動力學性能受到目的塑造的限制。最近，已經產生了超材料或 超表面 ，可以使用陣列理論或量子理論將散射能量從源頭重定向出去。這為RCS較低的目標帶來了有利於空氣動力學的形式。

抗震保護

地震超材料保護人造結構免受地震波的破壞性影響。

聲音過濾

具有納米級折痕的超材料可用於調節聲音或光信號，例如改變材料的色調或提高超聲解析度。無損材料測試，醫療診斷和隔音是一些應用。可以使用高精度的多層沉積程序來製造材料。每層的厚度都可以調節到波長的一小部分以內。然後擠壓材料，產生精確的摺痕， 其 間距會產生頻率散射。

理論模型

所有材料都是由偶極子原子形成的。這些偶極子將光速改變一倍n（折射率）。分體環諧振器中的環和導線元件充當 原子偶極子：導線充當鐵電原子，環充當電感器L，開口部分充當電容器C。整個環作為LC電路。當電磁場通過環時形成感應電流。產生的磁場垂直於光的磁場。磁共振產生負磁導率和負折射率。（透鏡不是完全平坦的，因為結構的電容迫使電感應傾斜。

有幾種（數學）材料模型可用於DNG中的頻率回應。洛倫茲模型就是其中之一，該模型根據驅動阻尼諧波振蕩器來定義電子速度。當洛侖茲數學模型的加速度分量與方程的其他分量相比適時，使用Debye弛豫模型。當恢復力分量較小且耦合係數一般為等離子體頻率時，Drude模型適用。其他元件區別需要應用這些模型之一，具體取決於它們的極性或功能。

分析方法，如混合公式和基於散射基質的方法，通常用於描述含有金屬/非金屬夾雜物的三維複合材料，這些金屬/非金屬夾雜物定期/隨機插入低介電常數基質中。粒子由平行於電場的電偶極子或分別平行於所施加的波的電場和磁場的一對交叉的電偶極子和磁偶極子表示。多極系列的主要術語是這些偶極子。它們是唯一已知的齊次球體，其極化性可以很容易地從Mie散射係數中計算出來。這種方法通常被稱為點偶極子近似，對於由電小球體複合材料組成的超材料來說，這是一個很好的近似。這些方法的優點包括廉價的計算成本和數學上的簡單性。

超材料理論建立在三個概念之上：負折射率介質，非反射晶體和超透鏡。計算光子帶結構包含用於評估三週期電磁介質的進一步第一原理技術。

機構網路

穆裡

多學科大學研究計劃（MURI）由 許多 大學和一些政府機構組成。加州大學伯克利分校，加州大學洛杉磯分校，加州大學聖地牙哥分校，麻省理工學院和倫敦帝國理工學院都是參加的大學。海軍研究辦公室和國防高級研究計劃局是該專案的贊助商。

MURI 鼓勵 結合多個傳統科學或工程領域的研究，以加快研究和應用開發。2009年，預計有69個學術機構將參與41個研究專案。

變形

Metamorphose VI AISBL人造電磁材料和超材料虛擬研究所是一個推廣人造電磁材料和超材料的國際組織。它組織科學會議，推廣專業期刊，開發和維護研究計劃，提供培訓計劃（包括博士和工業合作夥伴培訓計劃），並將技術轉讓給歐洲工業。

{第1章完結}

See also

Metasurface

Artificial dielectrics—macroscopic analogues of naturally occurring dielectrics that came into use with the radar microwave technologies developed between the 1940s and 1970s.

METATOY (Metamaterial for rays)—composed of super-wavelength structures, such as small arrays of prisms and lenses and can operate over a broad